Vận chuyển qua màng sinh chất

Liên kết peptit là liên kết đồng hóa trị rất bền vững (năng lượng phá vỡ liên
kết khoảng 6 - 7kcal/mol). Trong thực tế mạch liên kết peptit rất khó thủy phân
(phải dùng HCl 6N với nhiệt độ ≥ 100
0
C).
Trong chuỗi peptit, các axit amin cứ liên kết với nhau như vậy liên tục. Theo
quy định axit amin đầu chuỗi (bên trái) có nhóm amin tự do gọi là axit amin N tận;
axit amin cuối chuỗi (bên phải) có nhóm cacboxyl tự do gọi là axit amin C tận.
Khoảng cách giữa nhóm -COOH và –NH
2
của các axit amin trong chuỗi polypeptit
được L.Pauling và cộng sự dùng phương pháp nhiễu xạ Rơngen để nghiên cứu.
Cấu trúc bậc một của protein
5
Khi khảo sát chuỗi peptit có hai vấn đề quan trọng: số lượng các axit amin và
trình tự sắp xếp các axit amin trong chuỗi.
- Số lượng các axit amin: Số lượng các axit amin nhiều hay ít tùy loại protein
và quy định độ dài ngắn, phân tử lượng của chuỗi.
Protein lớn nhất được biết cho đến nay là titin ở trong cơ vân và cơ tim, chứa
tới 26.926 axit amin trong một chuỗi đơn. Các protein phổ biến đặc biệt là các
enzym có khoảng từ 150 - 300 axit amin.
- Trình tự sắp xếp các axit amin: Trình tự của các axit amin trong chuỗi
quyết định cấu trúc không gian của chuỗi và do đó quyết định tính chất, chức năng
sinh học của protein. Trình tự này được quy định bởi tính di truyền, được ghi lại
bằng các đơn vị tạo thành axit nucleic. Với 20 axit amin có thể tạo hơn 2 x 10
19
tổ
hợp, tức là tạo ra rất nhiều protein khác nhau (ngày nay người ta tìm thấy khoảng
10
10
– 10
12
protein ở các cơ thể sống khác nhau). Mỗi tổ hợp có sự sắp xếp các axit
amin với thứ tự khác nhau, chỉ cần 1 axit amin nào đó trong tổ hợp khác đi thì tính
chất vật lý, hóa học và sinh học của protein cũng thay đổi. Ví dụ: Trong bệnh hồng
cầu hình lưỡi liềm, do đột biến ADN mà ở vị trí số 6 trên chuỗi β polypeptit
của globulin trong hồng cầu là axit glutamic bị thay bằng valin.
Oxytoxin và vasopressin là hai hocmon thùy sau tuyến yên, chúng đều có 9
axit amin, nhưng sắp xếp chỉ khác nhau ở vị trí số 3 và số 8:
Oxytoxin có chức năng làm tăng co bóp cơ trơn tử cung:
Xys - Tyr - Ile - Glu - Asn - Xys - Pro - Leu - Gly - NH
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Vasopressin có chức năng làm tăng huyết áp động mạch, chống lợi niệu:
Xys - Tyr - Phe - Glu - Asn - Xys - Pro - Arg - Gly - NH
2
3 8
Việc phát hiện ra cấu trúc bậc 1 là một thành tựu khoa học rất lớn trong hóa
học protein. Nó là cấu trúc quan trọng nhất quyết định mức độ phức tạp, tính muôn
hình muôn vẻ và hoạt tính sinh học của protein. Nguyên nhân của sự đặc trưng, đặc
6
thù của sinh vật, tức là sự khác nhau về loài, giống, các thể và các bộ phận trong cơ
thể chính là sự khác nhau về cấu trúc và chức năng của protein.
Cấu trúc bậc 1 là yếu tố di truyền hết sức ổn định và đây cũng là minh chứng
chứng minh “Protein là nền tảng của sự sống ”.
Ví dụ: Insulin là 1 polypeptit hocmon bao gồm 51 axit amin, ở các động vật
khác nhau, chúng chỉ khác nhau ở axit amin thứ 8, 9, 10.
8 9 10
Bò: Ala - Ser - Val
Lợn: Tre - Ser - Ile
Cừu: Ala - Gly – Val
Quá trình di truyền ở sinh vật chính là hiện tượng truyền đạt lại cho đời sau
cấu trúc bậc 1 của protein đặc thù cho loài giống. Thiết kế protein được mã hóa qua
tiết kế mã di truyền trong axit nucleic.
2.2/ Cấu trúc bậc hai của protein
Cấu trúc bậc 2 của protein là cấu trúc có chu kỳ của chuỗi polypeptit. Chuỗi
polypeptit được sắp xếp gọn lại trong không gian nhất là trong môi trường sinh vật,
trong mô bào theo những hình thù nhất định, bền vững hơn phù hợp với chức năng
của chúng.
Nhiều protein chứa các đoạn có cấu trúc xoắn α, ví dụ: myoglobin,
hemoglobin Chuỗi peptit cuộn lại theo hình lò xo, tạo thành các vòng xoắn. Chu
kỳ xoắn là 3,7 axit amin. Chiều dài mỗi vòng xoắn là 5,4A
0
. Chiều xoắn có thể là
xoắn phải hoặc xoắn trái. Các xoắn α thấy ở các protein là xoắn phải (hình 1.1).
Tỷ lệ giữa các đoạn xoắn và không xoắn trong protein chiếm khoảng 45% - 50%
chiều dài của chuỗi peptit. Cũng có khi hai hoặc nhiều cuộn xoắn α bện lại với
nhau như cuộn dây cáp được thấy ở các protein như keratin của tóc, myosin
tropomyosin ở cơ, epidermin của da và fibrin của cục máu đông
7
Hình 1.1. Cấu trúc xoắn α
Xoắn α được ổn định nhờ những liên kết hyđro.
Liên kết này được hình thành giữa hai nguyên tử
mang điện tích âm có khoảng cách 2 - 3A
0
, nguyên tử
hyđro nằm giữa hai nguyên tử đó. Liên kết hyđro để
tạo xoắn α trong cấu trúc bậc 2 của protein được tạo
thành giữa nhóm = C=O và =N-H. Lúc này các gốc
amit =C=O và =N-H nằm trong một mặt phẳng.
Liên kết hyđro yếu, năng lượng phá vỡ liên kết
khoảng 0,7 - 1,5Kcal/mol song có số lượng lớn nên
xoắn α bền và ổn định.
Liên kết hyđro giữ vị trí đặc biệt quan trọng trong
tính cơ động, linh hoạt của các phân tử sinh học, của
protein cũng như mô bào.
Cấu trúc gấp nếp β, khác với xoắn α
là ở chỗ nó là dạng tấm. Chuỗi
polypeptit trong gấp nếp β hầu như
duỗi thẳng chứ không phải cuộn lại
hình lò xo như xoắn α. Điều khác
nữa là cấu trúc gấp nếp β được ổn
định bởi các liên kết hyđro giữa các
nhóm =C=O và =N-H trong các
chuỗi polypeptit khác nhau. Cấu trúc
gấp nếp β thường đặc trưng cho
nhiều protein dạng sợi, ví dụ
colagen.
8
Trong cơ thể, xét về cấu trúc bậc 2, protein có thể chia ra làm 3 loại:
- Loại hoàn toàn cấu tạo từ xoắn α
- Loại hoàn toàn cấu tạo từ gấp nếp β
- Loại chứa cả xoắn α và gấp nếp β
2.3/ Cấu trúc bậc ba của protein
Là cấu hình không gian phức tạp của chuỗi polypeptit do sự gấp khúc, cuộn
lại của cấu trúc bậc 2 tạo cho protein có hình thù nhất định đặc trưng cho từng loại
protein và hình thù đặc trưng này được quyết định từ cấu trúc bậc 1. Sự sắp xếp
gọn lại trong không gian của phân tử protein khi đã có cấu trúc bậc 2 này giúp cho
phân tử protein ổn định trong môi trường sống.
9
Cấu trúc bậc 3 protein
Cấu trúc bậc 3 tồn tại và ổn định nhờ các liên kết và các lực sau:
a. Liên kết disulfid
Liên kết disulfid hình thành giữa 2 nhóm -SH (sulphydryl) của 2 gốc Cystein
phân bố rải rác trong chuổi peptit, nhưng gần nhau trong không gian
2 HOOC-CH-CH
2
-SH → HOOC-CH-CH
2
-S-S-H
2
C-CH-COOH
NH
2
NH
2
NH
2
Đây là liên kết đồng hóa trị, bền nhưng chiếm số lượng không nhiều: phân tử
protein với khoảng 100 - 200 axit amin có khoảng 4 - 5 liên kết disulfid.
Ví dụ: Insulin là hormon của tuyến tụy tham gia điều hòa hàm lượng đường
trong máu. Khi thiếu insulin, hàm lượng đường trong máu tăng cao, dẫn tới bệnh
đái đường. Insulin được cấu tạo từ 2 chuỗi peptit: chuỗi A gồm 21 axit amin, chuỗi
B gồm 30 axit amin, hai chuỗi này gắn với nhau bằng 2 liên kết disulfid.
b. Các liên kết yếu
10
- Liên kết hydro: Liên kết này xuất hiện giữa 2 nhóm mang điện tích âm có
nguyên tử hydro.
- Liên kết ion: Liên kết này hình thành giữa 2 ion trái dấu của 2 gốc axit
amin nằm xa nhau theo thứ tự trong chuỗi peptit, nhưng gần nhau về không gian
trong cấu trúc bậc ba.
Ví dụ: Gốc axit glutamic trong chuỗi polypeptit có nhóm -COOH tự do,
trong môi trường nhất định của cơ thể nhóm này có thể phân ly thành –COO
-
.
Trong cấu trúc bậc 3 gốc này nằm gần gốc NH
2
tự do, nhóm NH
2
có khả năng nhận
H
+
tạo thành NH
3
+
. Do đó hai ion trái dấu này hút nhau. Loại liên kết này nằm rải
rác trong phân tử do có một số gốc axit amin có nhóm - COOH và –NH
2
.
- Lực hấp dẫn Van der Vaals: Khi có 2 chất hoặc 2 nhóm hóa học nằm cạnh
nhau với khoảng cách 1 - 2 lần đường kính thì giữa chúng sẽ có lực hấp dẫn lẫn
nhau.
- Lực liên kết của các nhóm kỵ nước: Những nhóm không phân cực (thành
phần chỉ có C, H) ví dụ: -CH
2
; -CH
3
trong valin, leuxin, isoleuxin hoặc phenyl
trong phenylanin là những nhóm không ưa nước (kỵ nước) và không tích điện.
Nước trong tế bào đẩy chúng lại với nhau tạo thành các búi kỵ nước trong phân tử
protein. Loại lực này chiếm 60% - 70% lực ổn định cấu trúc bậc 3 của nhiều phân
tử protein dạng cầu.
Các liên kết yếu rất có ý nghĩa vì chúng có rất nhiều và phân bố khắp nơi
trong phân tử protein. Nhờ các liên kết này (đặc biệt lực liên kết giữa các nhóm kỵ
nước) mà cấu trúc bậc 3 của protein ổn định trong môi trường. Tuy nhiên năng
lượng liên kết của các liên kết nói trên rất yếu cho nên cấu trúc bậc 3 cũng rất dễ bị
biến đổi bởi sự thay đổi các yếu tố môi trường. Các yếu tố như nhiệt độ, pH khi tác
động tới protein tức là ảnh hưởng lên các liên kết yếu này, ví dụ: nhiệt độ tăng quá
cao (≥ 500
0
C) làm protein bị biến tính (tức không trở lại trạng thái cũ của protein ví
dụ : luộc trứng) hoặc giảm quá thấp làm protein ngừng hoạt động; pH của môi
11
trường thay đổi sẽ làm thay đổi độ điện ly của –NH
2
hoặc -COOH những biến
đổi này có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực đến chức năng của protein.
Do có cấu trúc bậc 3 các protein có hình thù đặc trưng và phù hợp với chức
năng của chúng. Ở các protein chức năng như các enzym, các kháng thể, protein
của các hệ thống đông máu, thông qua cấu trúc bậc 3 mà hình thành được các trung
tâm hoạt động, là nơi thực hiện các chức năng của protein. Sự duy trì hình dạng
giúp protein ở trạng thái nguyên vẹn, tức là trạng thái sinh học được duy trì. Mỗi
biến đổi của hình dạng sẽ kéo theo sự biến đổi của hoạt tính.
Cấu trúc bậc ba đảm nhận chức năng tạo hình. Chẳng hạn con sứa và mực
nhiều nước nhưng vẫn có hình dạng nhất định của nó.
2.4/ Đô men cấu trúc (structural domain)
Đô men cấu trúc là những bộ phận, những khu vực trong một phân tử protein
được cuộn gấp trong không gian giống như một phân tử protein nhỏ hoàn chỉnh và
thường là nơi thực hiện chức năng liên kết, chức năng lắp ráp của đại phân tử
protein trong hoạt động chức năng của nó. Trong nhiều protein, đô men gắn liền
với chức năng kết hợp đặc hiệu và ở nhiều enzym được cấu tạo từ các đô men, thì
trung tâm hoạt động được bố trí tại biên giới của hai hay nhiều đô men.
Sự hình thành các đô men trong phân tử protein tạo khả năng tương tác linh
hoạt giữa các đại phân tử, khả năng cơ động, dịch chuyển tương ứng giữa những bộ
phận trong quá trình thực hiện chức năng sinh học. Xét về mặt đô men cấu trúc, khi
phân tích sự hoạt động của hầu hết các phân tử protein đã biết, có thể chia chúng
thành 3 nhóm:
a. Protein nhóm một có các đô men cố định và nối với nhau bằng những đoạn
khá dài và dẻo của chuỗi peptit, cho phép chúng xê dịch với những khoảng khá
rộng.
b. Protein nhóm hai có các đô men cố định nối với nhau bằng kiểu ‘’bản lề’’
nên phạm vi xê dịch rất hạn chế và đòi hỏi tương tác phải rất chính xác, chặt chẽ.
12
c. Protein nhóm ba có tính vận động chức năng rất đa dạng, giúp cho sự tiếp
cận, lắp ghép giữa chúng với các đối tượng hoạt động sinh học trở nên phong phú,
đa dạng.
Ví dụ: Protein kháng thể (Ig) sử dụng sự mềm dẻo cấu trúc của mình để các
đô men gắn kháng nguyên, tương tác tối ưu với kháng nguyên là những hợp chất đa
dạng.
Ở những protein có nguồn gốc khác nhau, nhưng có chức năng tương tự thì
các đô men có cấu trúc tương đối giống nhau.
Đô men là từng khu vực đó có cấu trúc hoàn chỉnh của 1 protein và thực hiện
đầy đủ chức năng của 1 protein.
2.5/ Cấu trúc bậc bốn của protein
Các protein chứa trong phân tử từ 2 chuỗi polypeptit trở lên thể hiện sự phức
tạp hơn về mức độ cấu trúc phân tử được gọi là cấu trúc bậc 4. Protein có trạng thái
tổ hợp hình thành từ nhiều tiểu phần protein gọi là protein olygomeric. Mỗi chuỗi
polypeptit trong một protein như vậy được gọi là là tiểu đơn vị (sub unit) hay là
một protomer. Mỗi tiểu đơn vị đều có cấu trúc bậc 1, 2, 3 riêng của nó.
Một số protein có xu hướng kết hợp lại với nhau thành những phức hợp,
thành những đại phân tử, không kéo theo sự biến đổi về hoạt tính sinh học. Vả lại,
rất nhiều trường hợp protein phải tổ hợp lại mới có hoạt tính sinh học. Trong những
trường hợp này, cấu trúc bậc 4 là điều kiện để hình thành nên tính năng mới cho
protein.
Ví dụ: Hemoglobin (huyết sắc tố - Hb) gồm 4 tiểu phần protein 2 tiểu phần α
và 2 tiểu phần β. Nếu 4 tiểu phần này tách rời nhau thì mỗi tiểu phần không vận
chuyển được 1 phân tử oxy. Khi kết hợp lại thành trạng thái tetramer tạo thành một
khối không gian đặc thù (gần như hình tứ diện) thì mới có khả năng kết hợp và vận
chuyển oxy. Một phân tử Hb vận chuyển được 4 phân tử oxy.
13
O
2
– α – β – O
2
| |
O
2
– α – β – O
2
Enzym Glycogen photphorylase (ở cơ, gan) xúc tác cho quá trình phân giải
glycogen thành glucose: Ở trạng thái không hoạt động enzym này ở dạng ‘’b’’:
dạng 2 dimer tách rời nhau. Ở trạng thái hoạt động (khi có tín hiệu cơ thể cần
đường) enzym này ở dạng ‘’a’’: dạng 2 dimer tổ hợp lại thành dạng tetramer.
O O O O
O O O O
dạng ‘’b’’ dạng ‘’a’’
Khi nhu cầu giải phóng glucose giảm đi, tetramer lại tách thành 2 dimer và
enzym trở lại trạng thái không hoạt động.
Tùy theo protein, số lượng monomer có thể thay đổi từ 2, 4, 6, 8 là phổ biến,
cá biệt có protein có thể có trên 50 monomer. Sự hình thành cấu trúc bậc 4 tạo điều
kiện cho quá trình điều tiết sinh học thêm tinh vi, chính xác.
14

Xem chi tiết: Vận chuyển qua màng sinh chất